第二章 機(jī)械工程常用材料及鋼的熱處理

第二章

機(jī)械工程常用材料及鋼的熱處理史美堂，《金屬材料及熱處理》，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2003齊寶森等，《機(jī)械工程材料》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003戈曉嵐等，《工程材料》，東南大學(xué)出版社，2004其他與金屬材料及熱處理的相關(guān)書籍參考文獻(xiàn)第一節(jié)概述第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能第三節(jié)常用的工程材料第四節(jié)鋼的熱處理第五節(jié)表面精飾第六節(jié)精密儀器材料選用原則主要內(nèi)容機(jī)械工程材料金屬材料非金屬材料黑色金屬鋼有色金屬合金鋼無機(jī)非金屬材料有機(jī)材料塑料橡膠陶瓷合成纖維鋁合金銅合金其他有色合金第一節(jié)概述第一節(jié)概述

在精密機(jī)械中應(yīng)用的材料，按用途的不同，可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料通常是指工程上要求強(qiáng)度、韌性、塑性、硬度、耐磨性等力學(xué)性能的材料。功能材料是指具有電、地、聲、熱、磁等功能和效應(yīng)的材料。金屬材料是精密機(jī)械中最常用的材料，可分為黑色金屬材料和有色金屬材料。一、應(yīng)力極限二、彈性模量E三、延展性四、沖擊韌度Ak五、彈性性能Ee和韌性能Et六、硬度第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能比例極限σp屈服極限σs強(qiáng)度極限σB圖2-1

在常溫下經(jīng)過塑性變形使材料強(qiáng)度提高、塑性降低的現(xiàn)象，稱為冷作硬化。一、應(yīng)力極限第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能應(yīng)力極限彈性階段彈性極限p屈服階段屈服點(diǎn)s強(qiáng)化階段強(qiáng)度極限b``頸縮階段第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能二、彈性模量E

在比例極限范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變ε成正比。彈性模量的大小反映了材料抵抗變形的能力。三、延展性延展性是衡量材料塑性性能的指標(biāo)。

1.伸長率δ2.斷面收縮率Ψ第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能

四、沖擊韌度

沖擊韌度是衡量材料承受沖擊載荷能力的性能指標(biāo)。五、彈性能Ee和韌性能Et

六、硬度硬度表示材料表面在一個小體積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或破裂的能力。常用的硬度指標(biāo)有：布氏硬度(HBS)、洛氏硬度(HRC——洛氏C標(biāo)度硬度)和維氏硬度(HV)。第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能影響力學(xué)性能的主要因素

1、含碳量

含碳量越高，強(qiáng)度和硬度越高，但塑性顯著降低。

2、雜質(zhì)元素：有益Si、Mn，有害S、P3、合金元素

加入某些合金元素，可提高和改善其綜合力學(xué)性能，并獲得某些特殊的物理和化學(xué)性能。

Cr：提高硬度、沖擊韌性和淬透性，（形成碳化鉻）

Mn：提高強(qiáng)度和淬透性，W:提高硬度和韌性

4、溫度一般，低溫條件下強(qiáng)度有所增加，塑性和沖擊韌性下降，高溫條件下相反。

5、熱處理工藝第二節(jié)金屬材料的力學(xué)性能一、鋼鐵材料（黑色金屬）1、非合金鋼（碳鋼）含碳2％以下的鐵碳合金、少量雜質(zhì)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類：

低碳鋼（ωc≤0.25％）

中碳鋼（0.25％＜

ωc≤

0.6％）

高碳鋼（ωc＞0.6％）

按質(zhì)量等級分類：普通碳素鋼（ωs≤0.055％、ωp≤0.045％）

（例：Q235）

優(yōu)質(zhì)碳素鋼（ωs≤0.040％、ωp≤0.040％）（例：45，35）

高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼

（ωs≤0.03％、ωp≤0.035％）

第三節(jié)常用工程材料按用途分類：碳素結(jié)構(gòu)鋼（用于制造各種工程構(gòu)件和機(jī)器零件）碳素工具鋼（用于制造各種工具）（T8A）2、合金鋼

人為加入Cr、Mn、Ni、Ti、Mo等，用以提高鋼的力學(xué)性能、工藝性能。即具有高的強(qiáng)度、韌性、硬度，以及某些特殊性能（如耐腐性、高溫強(qiáng)度）。（40Cr,65Mn）第三節(jié)常用工程材料3、鑄鐵：良好的鑄造性能、減摩性能、吸振性能、切削加工性能、低的缺口敏感性，生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉?；诣T鐵：C－自由狀態(tài)的片狀石墨形式（抗壓強(qiáng)度高于抗拉強(qiáng)度，適用于受壓零件，脆性大，不適合沖擊零件）（HT200）可鍛鑄鐵：C－自由狀態(tài)的絮狀石墨形式球墨鑄鐵：C－球狀石墨形式，較高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性（應(yīng)力集中）。鋼與鑄鐵的主要區(qū)別：碳的存在形式不同第三節(jié)常用工程材料有色金屬（減摩、耐腐、耐熱、導(dǎo)電性好）1、銅及其合金：工業(yè)純銅、黃銅（銅鋅二元合金）（鑄、鍛、機(jī)械加工性能好）青銅（錫青銅Sn、鋁青銅—強(qiáng)度高、加工低，用于制造重載、耐磨零件，鈹青銅Be、錳青銅等）2、鋁及其合金：純鋁、硬鋁、鑄鋁3、鈦及其合金：純鈦、鈦合金第三節(jié)常用工程材料非金屬1.工程塑料（天然樹脂或人造樹脂為基礎(chǔ)）－特點(diǎn)：密度小，良好的抗蝕性，優(yōu)良的電絕緣性，耐磨、減摩、自潤滑性好，工藝性好－分類：熱固性塑料、熱塑性塑料2.橡膠：高彈性、絕緣性－密封件、緩沖件、絕緣件

上述二者易老化，難回收（污染）3.人工合成礦物：剛玉（寶石Al2O3）,石英SiO2第三節(jié)常用工程材料一、鋼的熱處理

加熱、保溫、冷卻改變金屬整體或表面組織，獲得所需性能。（鑄鐵、某些銅合金也可用熱處理來改善其力學(xué)性能）種類普通熱處理：退火、正火、淬火、回火表面熱處理和化學(xué)熱處理：感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱、電解加熱、滲碳、氮化、碳氮共滲其他熱處理第四節(jié)鋼的熱處理1、退火：加熱（至臨界溫度710～750°以上

30～50°）、保溫、隨爐冷卻目的：降低硬度、細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力和殘余應(yīng)力，改善切削性能，預(yù)先熱處理2、正火：加熱、保溫（與退火相似）、空氣冷目的：同退火，（因晶粒更細(xì)，故強(qiáng)度和硬度較退火高），用于普通結(jié)構(gòu)鋼零件的最終熱處理，中碳鋼的預(yù)處理。3、淬火：加熱，保溫，水、油或鹽水冷卻目的：提高零件的硬度和耐磨性，強(qiáng)化材料。但淬火后，出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，材料變脆，須回火。方法：單介質(zhì)淬火；雙介質(zhì)淬火第四節(jié)鋼的熱處理

4、回火：零件淬火后，加熱至臨界溫度之下，保溫，以一定速度（空冷或油冷）冷卻。目的：消除淬火內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，增加韌性，達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求的硬度?；鼗鸸に嚨姆N類：

1)、低溫回火:加熱溫度（150～250C）降低應(yīng)力和脆性，保持高硬度。58～64HRC2)、中溫回火：加熱溫度（350～500C）消除內(nèi)應(yīng)力，提高彈性，35～45HRC，具有一定硬度、韌性

第四節(jié)鋼的熱處理第四節(jié)鋼的熱處理

3)、高溫回火：（500～650C）消除內(nèi)應(yīng)力，獲得較高韌性和塑性，但硬度較低（200～350HBS）

調(diào)質(zhì)處理=淬火＋高溫回火

4）、時效處理：在100～150C進(jìn)行長時間加熱（10～15h）。消除內(nèi)應(yīng)力，保持硬度和尺寸穩(wěn)定性。

5）、冷處理：在-70～-80C進(jìn)行長時間冷凍。目的：同時效處理二、表面熱處理：僅對鋼的表面進(jìn)行加熱和冷卻而不改變其內(nèi)部成分的熱處理工藝。目的：提高零件的表層硬度、抗磨損性能。1、表面淬火：通過快速加熱和立即淬火冷卻相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)。其方式：

感應(yīng)加熱：利用交流電的集膚效應(yīng)，對零件進(jìn)行加熱，并通過控制電流頻率得到不同的淬硬層深度。

火焰加熱：利用火焰加熱工件表面，然后立即用水噴射冷卻。調(diào)節(jié)燒嘴的位置和移動速度即可得到不同厚度的淬硬層。第四節(jié)鋼的熱處理

2、化學(xué)熱處理將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入其表面，改變其化學(xué)成分和組織，達(dá)到改進(jìn)表面性能、滿足技術(shù)要求的熱處理過程。與表面淬火不同之處：表面層不僅有組織變化，而且有成分的變化。目的：提高鋼件表層的耐磨性、耐蝕性、抗氧化性和疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能。按表面滲入元素的不同，分為滲碳、氮化、碳氮共滲、滲硼、滲鋁等種類。第四節(jié)鋼的熱處理1）滲碳滲碳是向鋼件表面層滲入碳原子的過程。其目的是使工件在熱處理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定強(qiáng)度以及較高的韌性和塑性。分類：氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳過程：工件放入密封的加熱爐，通入滲碳劑在900～950C加熱、保溫。用于低碳鋼、低合金鋼第四節(jié)鋼的熱處理2）氮化氮化是向鋼件表面層滲人氮原于的過程。目的：提高表面層的硬度和耐磨性，并提高疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性。氮化能夠獲得比滲碳淬火更高的表面硬度、耐磨性、熱硬性、疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性能，變形小。3）碳氮共滲(氰化)

碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程，習(xí)慣上又稱為氰化。第四節(jié)鋼的熱處理表面精飾是指在金屬零件的表面附上一層覆蓋層，以達(dá)到防蝕、裝飾等目